运放、比较器和仪表放大器：这三种“三角形”器件，如何区分如何选？

来源：Digi-Key
作者：Kevin Chow

引言

大家有没有留意，在模拟电路图上，无论是运算放大器、比较器、还是仪表放大器，工程师都会用同一个图案来表达 (即下图1)。


图1 ：同时表达运算放大器、仪表放大器或比较器的电路图符号

如果我们在芯片规格书內看到“三角形”器件，在选料时是否意味着可以把它应用于任何地方？ 理论上是可以的。 您可以强制其中之一来实现其他功能，但系统性能不会达至最佳。 因此，原厂一般会在规格书內列出了其器件的建议应用。 通过本文，让我们看看它们之间的区别以及选型应用时需要注意的地方，以便我们尽可能围绕它们进行设计，同时也深入了解如何使用参数筛选来找到合适的运算放大器。

下面的表 1 中总结了三个器件的重要参数或规格之间的差异。


表1 ：运算放大器、比较器和仪表放大器的比较 (资料来源：ADI)

反馈的特性

先来看看“运算放大器”应用中可实现哪些功能。由于运算放大器具有巨大的增益，从理论上讲，为使电路可用，我们需要施加反馈。当输出要变得过高时，控制信号会反馈到输入，抵消原始激励，即是需要“负反馈”。如果将运算放大器刻意设计成比较器，当其高速工作时，为防止输出将直接冲到一个轨或另一个轨，这时候便需要“负反馈”。

但是，对于比较器的应用，正反馈才是我们需要的。在没有反馈的情况下，如果比较器的一个输入缓慢超过另一输入的电平，输出会开始缓慢变化。但假如系统中存在噪声，例如接地回反弹，输出可能会受影响，因此比较器加入正反馈，可使比较器反应比较慢，造成迟滞，使其对微小变化也不敏感，这有助抗干扰能力。

相反，仪表放大器本身反馈已经在内部，因此将仪表放大器用作运算放大器并为其添加反馈，是没有意义的。以ADI公司AD621系列仪表放大器作例子，图2显示了该器件内已包含了工三个运算放大器。


图2 ：AD621系列“三运放”仪表放大器 (图片来源：ADI)

让我们重温一下在上篇 运算放大器的基础知识 中介绍的反馈等式。



利用 (1)，假设仪表放大器为G，期望增益为10，如接上负反馈，这意味着反馈系数为0.1。接下来，选择仪表放大器固定增益为100，得出实际的闭环增益将为9.09，几乎有10％的误差。



        · 元器件选型

为方便工程师能够款速找出并访问运算放大器、比较器 或仪表放大器产品系列的技术资料，Digi-Key 官网已在产品目录中列明了相应元器件的类型。


图3. 运算放大器、比较器和仪表放大器在Digi-Key产品目录的分类显示

开环和闭环增益

如上所述，对于运算放大器，参考等式（1），开环增益（AVOL）越高，闭环增益越准确，误差越小。

比较器用于开环系统，旨在从其输出端驱动逻辑电路。如果输出的逻辑摆幅为3V，需要1mV阈值(阈值)，则最小增益可能約为3000。除了要考虑系统的带宽要求，也需要解决噪声问题。较高的增益可使不确定性窗口变小，但如果增益过高，微伏级的噪声就会触发比较器。

对于仪表放大器，开环增益的概念并不适用。

        · 元器件选型

Digi-Key 官网对于运算放大器的筛选表已经清楚地列出了带宽的参数，可见其覆盖范围非常宽，这使得当工程师选择这3款产品时，可以对它们有大概的理解。例如-3db带宽，如忽略仪表放大器及比较器的选项，由于运算放大器包括很多类型，可以看到-3db 带宽包含很大频率的范围，最高更可达数十GHz.


图4：Digi-Key官网中“-3db 带宽”选项显示

输入电容

如上述，对于运算放大器，让我们来看看以下图5中加入输入电容的方式。乍看之下，R1和C1似乎构成了一个低通滤波器，但其实这样是行不通的，还可能会产生振荡。未加上电容的方式，其反馈系数为R2/R1，但如果将电容加在两者间，反馈系数将变为R2/(R1 // Xc)，随着频率提高，反馈系数也会提高，因此噪声增益以+ 20dB/10倍频程的速率上升，而运算放大器开环增益以–20 dB/10倍频程的速率下降，它们会在40dB处交叉位相遇，即导致振荡。


图5 ：其中一个方法“尝试”减少运算放大器带宽 (图片来源：ADI)

比较可行的限制电路带宽的方法，是在R2两端放置电容(C2)，如图6 。


图6 ：通过在R2两端放置电容减少运算放大器带宽(图片来源:ADI)

相反，比较器通常没有负反馈网络，因此图7中比较器前面的简单R和C构成的低通滤波器是可行的。


图7：比较器前面的简单R和C构成的低通滤波器 (图片来源：ADI)

对于仪表放大器，在输入端放置电容器是完全可以接受的。 如果在电路上允许增加元件和适当地在电路板上布局布线，如以下图中ADI的AD8220为例，是一个较广泛使用的差分射频干扰 (RFI) 滤波器应用电路图，它还加入了电容器使系统稳定并提高性能。


图8 ：AD8220的”RFI滤波器“应用电路图 (图片来源：ADI)

除了 RFI 抑制之外，该滤波器还提供额外的输入过载保护，因为电阻器 R5 和 R6 有助于将仪表放大器的输入电路与外部信号源隔离。 但唯一需要考虑的是滤波器形成一个桥式电路，其输出出现在仪表放大器的输入引脚上。 因此，C3/R5 和 C5/R6 的时间常数之间的任何不匹配都会使电桥不平衡并降低高频共模抑制。 因此，电阻器 R5 和 R6 以及电容器 C3 和 C5 需要相等。

輸出

在应用中，运算放大器或仪表放大器的输出将从靠近一个轨到另一轨摆动。 根据输出级是使用共发射极还是共源配置，输出可能会达到任何电源轨内的 25mV 至 200mV 范围。 但是，如果运算放大器由+15V和-15V供电，则这种类型的轨到轨不便于与数字电路接口。 一种较差和较复杂的方法，是在输出端放置一个二极管钳位，以保护数字输入不受损坏，但运放也会因电流过大而损坏， 所以使用比较器是最简易的解决方案。

比较器可以有不同输出类型，例如CMOS、TLL、NMOS或开漏输出。虽然开集或开漏输出需要一个上拉电阻，导致上升和下降时间不等，但它可取之处是虽然采用一个电压（如5V）供电，但仍能在其他电压（如3.3 V）下与逻辑接口运作。

        · 元器件选型

运算放大器、比较器或仪表放大器的输出（包括输出类型和电流输出量）对电路设计非常重要。 Digi-Key 官网上的产品筛选项目也有详细列示。


图9 ：Digi-Key官网上运算放大器及仪表放大器「输出」选项显示


图10 ：Digi-Key官网上比较器「输出」选项显示

重要参数

· 增益带宽
对于运算放大器，我们需要一个高于最高信号频率的增益带宽，以保持较低闭环误差。查看上文的等式(1)，我们可以看到增益带宽应为最高信号频率的10至100倍。从等式(1)可以看出，如前所述，AVOL是频率的函数，会影响闭环精度。

· 相位裕度
相位裕度会随容性负载而变化，因此规格书应清楚说明测试条件。为了确保直流精度，失调电压应较低。对于修整的双极型运算放大器，25μV至100μV是较好的。对于FET输入运算放大器，200μV至500μV是较好的。

· 传輸延迟
对于比较器，传输延迟是重要参数之一。与运算放大器相比，运算放大器在过驱动时变慢，但比较器在过驱动时会变快。规格书有时会提供在少量过驱动下（例如5 mV）的传输延迟，又或会提供较大的50mV甚至100 mV过驱动下不同的传输延迟资料。

· 共模抑制比 (CMRR)
仪表放大器的重要参数是共模抑制比（CMRR）。CMRR 就是差分增益与共模增益之比，根据以下公式， 其单位可以是V/V 或dB.



共模抑制比随频率而变化，如下图11 所示 AD8422 共模抑制比与频率的关系。此外，有时规格书还会列出直流CMRR或非常低频率的CMRR。


图11：AD8422 共模抑制比与频率的关系 (图片来源：ADI)

如果您要检测H桥电机驱动器中的电流，或使用仪表放大器 (如AD8207) 进行双向共模高摆幅电流检测，如图11所示使用的驱动应用图。


图12： 使用AD8207进行双向共模高摆幅电流检测 (图片来源:ADI)

这可能是仪表放大器最困难的应用，因为共模电压是从一个轨附近变到另一个轨附近，并且电流迅速反向。增益带宽和压摆率都很重要。

编程

这里的“编程“并不是代表编写代码，而是指需要配置器件以满足系统要求（尽管某些仪表放大器确实已具有带SPI端口和寄存器进行传统软件编程的功能）。对于运算放大器，我们将器件配置为负反馈。这可以使用纯电阻性元件，但通常是将电阻器与电容器并联使用来限制带宽。这将有助于提高信噪比，因为即使我们仅使用一部分噪声，也会在整个范围内对其进行积分，也可以使用不同电容器而获得积分器或微分器。

比较器应该会设计为正反馈，以确保一旦输入迫使输出移动，输出就会加强移动。一些比较器的确具有内部迟滞，但是如果需要，通常可以添加更多的迟滞。一些具有内部迟滞的比较器具有一个引脚，用于添加一个电阻以稍微改变其迟滞量。

工程师可以将运算放大器用作比较器，但这并不理想，如前所述，这样做需要注意的事项很多。直接使用比较器的好处是几乎只需要电阻作编程。您可以添加一个高阻值电阻以提供一点正反馈，

总结

以往工程师在选择运算放大器时，会聚焦于个别的特性，例如直流及交流精度、输入失调电压、增益带宽等规格是否适合系统，但现今的运算放大器产品众多，在这情况下，不少生产商已经根据不同的应用将运算放大器产品分类，如文章中所介绍的比较器及仪表放大器，这有助于在选料时缩小目标范围，加之Digi-Key 官网上提供清晰的分类及参数筛选工具，这使得工程师可以更省时、更准确地找到合适的运算放大器。